吳云軒

(黎明職業(yè)大學(xué) 信息與電子工程學(xué)院，福建 泉州 36200)

嵌入式Web服務(wù)器在軌道拍攝系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

吳云軒

(黎明職業(yè)大學(xué) 信息與電子工程學(xué)院，福建 泉州 36200)

給出了一種在ARM9硬件平臺(tái)及Linux操作系統(tǒng)下，采用CGI和Socket技術(shù)構(gòu)建嵌入式Web服務(wù)器的設(shè)計(jì)方案。并以該方案在實(shí)現(xiàn)軌道拍攝系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制為例，介紹了軌道攝影拍攝系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)，嵌入式Linux下的進(jìn)程間通信，以及基于BOA的嵌入式Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，給出了一種通過(guò)瀏覽器與嵌入式設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的有效方法。

嵌入式系統(tǒng);BOA服務(wù)器;軌道拍攝

0 引言

數(shù)字和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，使人們獲得外界信息的方式多樣化，信息的傳播載體和采集方式也變得更加豐富。軌道拍攝是指延時(shí)攝影、定速矢量平移拍攝以及簡(jiǎn)單的一維軌跡合成拍攝等新型的數(shù)字拍攝技術(shù)，是宣傳、記錄片中常用拍攝手法，以取代視頻播放的平靜和照片內(nèi)容的呆板。例如日出日落、星云流動(dòng)、植物生長(zhǎng)過(guò)程等需要長(zhǎng)時(shí)間拍攝等待，再將變化的過(guò)程濃縮到幾秒的時(shí)間內(nèi)，呈現(xiàn)出諸如風(fēng)云變幻或斗轉(zhuǎn)星移等肉眼無(wú)法觀(guān)察的景象，給觀(guān)眾一種震撼的視覺(jué)體驗(yàn)。

為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的拍攝中的無(wú)人值守，以及提升抗震性能和軌道移動(dòng)的平滑性，本文在軌道拍攝系統(tǒng)中運(yùn)用了嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)，采用B/S結(jié)構(gòu)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，即在嵌入式開(kāi)發(fā)板上運(yùn)行一個(gè)能夠生成動(dòng)態(tài)頁(yè)面的Web服務(wù)器，支持腳本和CGI功能。開(kāi)發(fā)板通過(guò)串行口與軌道拍攝系統(tǒng)進(jìn)行連接控制，客戶(hù)端通過(guò)Web瀏覽器就可以對(duì)軌道拍攝系統(tǒng)進(jìn)行管理和監(jiān)控，設(shè)置拍攝的參數(shù)，控制軌道拍攝系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的基本原理

在軌道拍攝系統(tǒng)中運(yùn)用嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)的總體思想是實(shí)現(xiàn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化，通過(guò)普通的瀏覽器就可以對(duì)遠(yuǎn)端的拍攝現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制。此外，由于瀏覽器所在的客戶(hù)端平臺(tái)與服務(wù)器所在的平臺(tái)無(wú)關(guān)，客戶(hù)端可以是不同的種操作系統(tǒng)(如android、IOS或windows等)的終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)的控制。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)是基于B/S結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，包含客戶(hù)瀏覽器端和嵌入式Web服務(wù)器端兩大部分，相互間通過(guò)以太網(wǎng)連接通信，整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。客戶(hù)端可以是筆記本、IPAD等跨平臺(tái)的便攜設(shè)備，通過(guò)瀏覽器采用HTTP和TCP/IP協(xié)議訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器。服務(wù)器端采用ARM9和嵌入式Linux技術(shù)，移植了一個(gè)嵌入式Web服務(wù)器，服務(wù)器通過(guò)環(huán)境變量與CGI程序進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道拍攝模塊的控制。

CGI(通用網(wǎng)關(guān)接口)是一個(gè)Web服務(wù)器主機(jī)提供信息服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)接口［1］，Web服務(wù)器可以通過(guò)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口來(lái)執(zhí)行應(yīng)用程序，并將應(yīng)用程序的各種形式的輸出傳送到Web瀏覽器。當(dāng)來(lái)自客戶(hù)端瀏覽器的連接請(qǐng)求被服務(wù)器端監(jiān)聽(tīng)到時(shí)，服務(wù)器會(huì)為瀏覽器創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程，提供連接服務(wù)。根據(jù)不同請(qǐng)求類(lèi)型，服務(wù)器返回HTML文件或者通過(guò)CGI程序接口調(diào)用外部程序。因此，CGI接口的功能就是在HTML文檔與Web服務(wù)器之間傳遞信息，借助CGI用戶(hù)可以編寫(xiě)用于與服務(wù)器相交互的程序。當(dāng)用戶(hù)通過(guò)網(wǎng)頁(yè)向客戶(hù)端瀏覽器提交一個(gè)HTML表單時(shí)，瀏覽器以名字/值對(duì)的方式對(duì)HTML表單數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送給Web服務(wù)器，服務(wù)器再將數(shù)據(jù)交給CGI程序執(zhí)行。CGI程序通過(guò)調(diào)用子程序控制軌道拍攝模塊，程序運(yùn)行結(jié)束后，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)輸出把數(shù)據(jù)以HTML形式送到服務(wù)器再到用戶(hù)端，HTML文件將會(huì)被用戶(hù)端的瀏覽器解釋?zhuān)⒔Y(jié)果顯示在瀏覽器上。

2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)的搭建

2.1 嵌入式Web服務(wù)器的硬件平臺(tái)

本系統(tǒng)采用基于S3C2410微處理器的開(kāi)發(fā)板FS2410DEV，其具體組成如圖2所示。S3C24lO是一款基于ARM92OT內(nèi)核的32位RISC嵌入式處理器［2］。該開(kāi)發(fā)板除了微處理器和存儲(chǔ)設(shè)備外，還擴(kuò)展RJ-45網(wǎng)卡、UART接口、按鍵等設(shè)備接口，引出了CPU的一些通用I/O引腳，可連接外圍的器件模塊。在進(jìn)行系統(tǒng)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)前，還需要在內(nèi)核中移植和添加相關(guān)硬件的驅(qū)動(dòng)程序。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 軌道拍攝控制模塊

在拍攝過(guò)程中需保證相機(jī)在自然條件下能穩(wěn)定、慢速平滑的移動(dòng)，這是拍攝成功的關(guān)鍵。因此，攝影軌道型材采用碳素型材，具有抗震性好、材質(zhì)輕、便于攜帶。相機(jī)通過(guò)云臺(tái)固定在傳動(dòng)皮帶上，使用步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)，以得到較高的重復(fù)定位精度。利用模塊化設(shè)計(jì)方法對(duì)控制模塊進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)一些基本的軌道控制動(dòng)作以及移動(dòng)軌跡的記錄等，再通過(guò)串行口與主控制器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。相機(jī)的拍攝動(dòng)作采用2.4G無(wú)線(xiàn)調(diào)頻遙控器控制，遙控觸發(fā)模塊連接到主控制器的通用I/O口，由主控制器控制。

3 系統(tǒng)軟件平臺(tái)的構(gòu)建

在系統(tǒng)硬件平臺(tái)連接完成后，首先要移植基于具體硬件的嵌入式Linux操作系統(tǒng)到系統(tǒng)平臺(tái)中，然后編寫(xiě)和移植基于該操作系統(tǒng)I/O接口驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)等各種驅(qū)動(dòng)程序，并把這些程序交叉編譯到系統(tǒng)平臺(tái)中，編寫(xiě)腳本文件，在系統(tǒng)啟動(dòng)后自動(dòng)加載相關(guān)的進(jìn)程。系統(tǒng)應(yīng)用軟件的整體結(jié)構(gòu)如圖3，在加載完驅(qū)動(dòng)程序后，操作系統(tǒng)將控制權(quán)交由系統(tǒng)監(jiān)控進(jìn)程和Web服務(wù)器守護(hù)進(jìn)程，兩個(gè)進(jìn)程間的通信采用消息隊(duì)列的方式實(shí)現(xiàn)。

圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

3.1 Web服務(wù)器對(duì)瀏覽器HTTP請(qǐng)求的處理和響應(yīng)

服務(wù)器進(jìn)程啟動(dòng)后，首先在服務(wù)器端建立socket，然后綁定本地端口，接著開(kāi)始偵聽(tīng)端口，等待用戶(hù)瀏覽器的連接請(qǐng)求。當(dāng)連接建立后，服務(wù)器根據(jù)HTTP協(xié)議分析瀏覽器的請(qǐng)求，并作相應(yīng)的處理。在一次TCP連接中，Web服務(wù)器只能處理一個(gè)來(lái)自客戶(hù)端的HTTP請(qǐng)求，處理請(qǐng)求后服務(wù)器會(huì)斷開(kāi)當(dāng)前連接，進(jìn)入循環(huán)等待下一次連接請(qǐng)求。

3.2 CGI程序與系統(tǒng)監(jiān)控進(jìn)程的進(jìn)程間通信

本設(shè)計(jì)中CGI實(shí)現(xiàn)的功能是簡(jiǎn)單的用戶(hù)身份驗(yàn)證，以及通過(guò)系統(tǒng)監(jiān)控進(jìn)程實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道拍攝模塊的控制和狀態(tài)回傳，兩個(gè)進(jìn)程間的通信采用消息隊(duì)列的方式實(shí)現(xiàn)。消息隊(duì)列是消息的鏈接表，存放在內(nèi)核中并由消息隊(duì)列標(biāo)識(shí)符標(biāo)識(shí)，msgget用于創(chuàng)建一個(gè)新的消息隊(duì)列或打開(kāi)一個(gè)現(xiàn)有的消息隊(duì)列，若執(zhí)行成功，msgget返回非負(fù)隊(duì)列ID，該值就可被用于消息的添加和接收函數(shù)［3］。msgsnd將新消息添加到隊(duì)尾，msgrcv用于從隊(duì)列中取消息。本設(shè)計(jì)中，CGI和系統(tǒng)監(jiān)控進(jìn)程使用共有的IPC key創(chuàng)建消息隊(duì)列，定義整型變量msgid存放msgget的返回值，相應(yīng)的代碼為:msgid=msgget(KEY_MSG，IPC_CREAT|0666);每個(gè)消息又包含了消息類(lèi)型和消息數(shù)據(jù)，消息的結(jié)構(gòu)定義為:

消息類(lèi)型使我們可以指定想要哪一種消息，在發(fā)送消息前先設(shè)置消息類(lèi)型的值，接收消息時(shí)可以根據(jù)該值區(qū)分CGI或系統(tǒng)監(jiān)控進(jìn)程發(fā)送的消息，buf1存放發(fā)送的消息，buf2用于接收消息。用戶(hù)經(jīng)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)Web服務(wù)器，通過(guò)CGI程序發(fā)出控制命令，并生成存放控制命令代碼的消息隊(duì)列。系統(tǒng)監(jiān)控進(jìn)程接收到消息后，經(jīng)過(guò)串口將控制命令發(fā)送給軌道拍攝控制模塊。軌道拍攝模塊執(zhí)行后將設(shè)備狀態(tài)代碼回傳給系統(tǒng)監(jiān)控進(jìn)程，系統(tǒng)監(jiān)控進(jìn)程將狀態(tài)代碼發(fā)送到消息隊(duì)列，CGI程序接收到消息后，將狀態(tài)代碼的信息轉(zhuǎn)換為HTML代碼返回瀏覽器端。

3.3 嵌入式Web服務(wù)器Boa的移植

系統(tǒng)選用Boa作為嵌入式Web服務(wù)器，它是一款單任務(wù)的HTTP服務(wù)器，通過(guò)建立HTTP請(qǐng)求列表來(lái)處理多路HTTP連接請(qǐng)求［4］。Boa的可執(zhí)行代碼很小，只有60KB左右，本設(shè)計(jì)使用的Boa源碼版本為0.94.13，移植過(guò)程主要是對(duì)源碼的交叉編譯和配置。

3.3.1 Boa程序源碼的交叉編譯

直接運(yùn)行src目錄下的configure文件，生成一個(gè)Makefile文件，再修改該文件的CC和CPP為交叉編譯器的安裝路徑:

編譯后生成可執(zhí)行文件Boa。

3.3.2 配置Boa服務(wù)器

在/etc目錄下創(chuàng)建一個(gè)目錄名為boa的目錄，放入boa.conf文件，這個(gè)文件是Boa的主要配置文件，相關(guān)的設(shè)置項(xiàng)為:

3.3.3 Boa的執(zhí)行

將交叉編譯后生成的可執(zhí)行文件Boa加入到/bin/下，然后對(duì)內(nèi)核再次編譯并下載到FS2410DEV開(kāi)發(fā)板上，在啟動(dòng)腳本里添加 /bin/boa，啟動(dòng)后就可以通過(guò)Web瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)開(kāi)發(fā)板中的網(wǎng)頁(yè)。圖4是通過(guò)IE瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)到的軌道拍攝系統(tǒng)的拍攝控制界面。

圖4 開(kāi)發(fā)板上的網(wǎng)頁(yè)

4 結(jié)語(yǔ)

本文在已完成的軌道拍攝系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于ARM9和嵌入式Linux的嵌入式的Web服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了軌道拍攝系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和遠(yuǎn)程控制，在PC端的瀏覽器上對(duì)拍攝系統(tǒng)信息控制和狀態(tài)查詢(xún)。在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，我們將嵌入式Web服務(wù)器作為一個(gè)單獨(dú)的模塊，提供了與其他模塊連接的接口，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，只需在軟件上進(jìn)行修改，就能很容易的應(yīng)用到各種嵌入式設(shè)備，在工業(yè)和日常生活中有著廣泛的應(yīng)用前景。

［1］黃光奇，編著.CGI編程指南［M］.北京:電子工業(yè)出版社，1999.

［2］周維，陳默.基于SC2410的ARM開(kāi)發(fā)平臺(tái)［J］.電子技術(shù)，2004(7):4-7.

［3］W.Richard Stevens Stephen A.Rago.UNIX環(huán)境高級(jí)編程［M］.2版.北京:人民郵電出版社，2006.

［4］Larr D，Jon N.Boa Webserver［EB/OL］.(2000-02-03)［2013-08-25］http://www.boa.org/.

Realization of Embedded Web Server in Orbit Shooting System

WU Yun-xuan
(College of Information and Electronic Engineering，Liming Vocational University，Quanzhou 362000，China)

Based on ARM9 hardware platform and Linux operating system，this paper gives a design of embedded Web server which is built by CGI and Socket.Taking the remote control of realization of this program in orbit shooting system as a case study，it describes the hardware and software architectures，interprocess communication under embedded Linux and the specific construction method of BOA-based embedded Web server.This design gives an effective method for remote control through browsers and embedded devices.

embedded system;BOA server;orbit shooting

TP368.1

A

1009-3907(2013)10-1242-03

2013-08-25

泉州市科技局科技資項(xiàng)目(2008G16)

吳云軒(1980-)，男，福建惠安人，講師，碩士，主要從事單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)方面研究。

責(zé)任編輯:

吳旭云